El nuevo interruptor cuántico convierte los metales en aislantes
La mayoría de los dispositivos electrónicos modernos dependen de diminutas y finas corrientes eléctricas para procesar y almacenar información. Estas corrientes dictan la rapidez con que funcionan nuestros ordenadores, la regularidad con que funcionan nuestros marcapasos y la seguridad con que nuestro dinero se almacena en el banco.
Medición de un material en el que se ha utilizado la modificación del acoplamiento espino-órbita para hacerlo electrónicamente conductivo. Los colores oscuros representan electrones que pueden moverse libremente a través del material, y son un indicador del comportamiento conductor.
Berend Zwartsenberg/SBQMI
En un estudio publicado en Nature Physics, los investigadores de la Universidad de Columbia Británica han demostrado una forma totalmente nueva de controlar con precisión esas corrientes eléctricas aprovechando la interacción entre el espín de un electrón (que es el campo magnético cuántico que lleva inherentemente) y su rotación orbital alrededor del núcleo.
"Hemos encontrado una nueva forma de cambiar la conducción eléctrica de los materiales de arriba a abajo", dijo el autor principal Berend Zwartsenberg, estudiante de doctorado en el Instituto de Materia Cuántica Stewart Blusson (SBQMI) de la UBC. "Este emocionante resultado no sólo amplía nuestra comprensión de cómo funciona la conducción eléctrica, sino que nos ayudará a explorar más a fondo propiedades conocidas como la conductividad, el magnetismo y la superconductividad, y a descubrir otras nuevas que podrían ser importantes para la computación cuántica, el almacenamiento de datos y las aplicaciones energéticas".
Al activar el interruptor de las transiciones metal-aislante
En términos generales, todos los materiales pueden clasificarse como metales o aislantes, dependiendo de la capacidad de los electrones para moverse a través del material y conducir la electricidad.
Sin embargo, no todos los aislantes son creados de la misma manera. En los materiales simples, la diferencia entre el comportamiento metálico y el aislante proviene del número de electrones presentes: un número impar para los metales, y un número par para los aislantes. En materiales más complejos, como los llamados aislantes Mott, los electrones interactúan entre sí de diferentes maneras, con un delicado equilibrio que determina su conducción eléctrica.
En un aislante Mott, la repulsión electrostática impide que los electrones se acerquen demasiado entre sí, lo que crea un atasco y limita el libre flujo de electrones. Hasta ahora, había dos formas conocidas de liberar el atasco: reduciendo la fuerza de la interacción repulsiva entre los electrones, o cambiando el número de electrones.
El equipo del SBQMI exploró una tercera posibilidad: ¿había alguna manera de alterar la naturaleza cuántica del material para permitir una transición metal-aislante?
Utilizando una técnica llamada espectroscopia de fotoemisión con resolución de ángulo, el equipo examinó el aislante de Mott Sr2IrO4, monitoreando el número de electrones, su repulsión electrostática, y finalmente la interacción entre el espín de los electrones y su rotación orbital.
"Encontramos que acoplar el spin al momento angular orbital reduce la velocidad de los electrones hasta tal punto que se vuelven sensibles a la presencia del otro, solidificando el atasco", dijo Zwartsenberg. "Reducir el acoplamiento de giro-órbita a su vez alivia el atasco y pudimos demostrar una transición de un aislante a un metal por primera vez usando esta estrategia".
"Este es un resultado realmente emocionante a nivel de la física fundamental, y expande el potencial de la electrónica moderna", dijo el co-autor Andrea Damascelli, investigador principal y director científico del SBQMI. "Si podemos desarrollar una comprensión microscópica de estas fases de la materia cuántica y sus fenómenos electrónicos emergentes, podemos explotarlos mediante la ingeniería de materiales cuánticos átomo por átomo para nuevas aplicaciones electrónicas, magnéticas y de detección".
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